DE102009044992A1

DE102009044992A1 - Verfahren zur Verbesserung der Messung mit einem Batteriesensor

Info

Publication number: DE102009044992A1
Application number: DE102009044992A
Authority: DE
Inventors: Clemens Schmucker; Juergen Haeffner; Burkhard Iske; Karsten Schiller
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-09-24
Filing date: 2009-09-24
Publication date: 2011-04-14

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Verbesserung der Strommessgenauigkeit eines Batteriesensors (1) mit einem Shunt (7) im Laststromkreis einer Batterie (2) vorgeschlagen, bei dem zusätzlich zur Messung eines Spannungsabfalls im Bereich des Shunts (7) weitere physikalische Größen ausgewertet werden, die die Betriebszustände und Umweltbedingungen am Shunt (7) und/oder der Batterie (2) betreffen und nachgeschalteten Funktionen zur Verfügung gestellt werden.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der Messung mit einem Batteriesensor zur Anbringung im Laststromkreis einer Batterie, insbesondere auch für eine Zustandserkennung der Batterie als Bestandteil eines Energiemanagementsystem in Kraftfahrzeugen, nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Es ist allgemein üblich, dass zur Ermittlung des Zustandes von Kraftfahrzeugbatterien sogenannte Batteriesensoren eingesetzt werden, die über die Erfassung der Batteriespannung, des Batteriestroms, der Umgebungstemperatur und eventuell weiterer physikalischer Größen den Batteriezustand, sowie ev. auch den Ruhestromverbrauch eines Kraftfahrzeuges ermitteln oder weitere Diagnosefunktionen erfüllen. Beispielsweise sind solche Batteriesensoren aus der EP 1238288 B1 oder der EP 1435524 B1 bekannt, bei denen mittels eines sogenannten Shuntwiderstandes (Shunt) der Batteriestrom einer Kraftfahrzeugbatterie gemessen wird.
Damit der zuvor beschriebene Batteriesensor die Leistungsfähigkeit der Batterie nicht selbst signifikant verschlechtert, sollte der Shunt so ausgelegt werden, dass er einen möglichst kleinen Widerstandswert aufweist, da ansonsten zu viel Leistung am Shunt verloren geht. Ein typischer Widerstandswert für den Shunt ist beispielsweise ca. 100 μOhm. Um den Strom messen zu können, wird der Spannungsabfall über dem Shunt gemessen, der bei betragsmäßig kleinen Strömen im mA-Bereich zu Anforderungen an die Spannungsmessgenauigkeit im μV-Bereich und darunter führt. Bei einer solchen Empfindlichkeit haben bereits kleinste Störungen Einfluss auf die Genauigkeit der Strommessung kleiner Ströme.
Insbesondere sind eine kritische Störgröße Thermospannungen, die durch unterschiedliche Temperaturen an den Materialübergängen der Anordnung, insbesondere an den Anschlüssen des Shunts, entstehen. Diese Thermospannungen entstehen beispielsweise, wenn am Shunt durch einen hohen Strom eine große Verlustleitung entsteht und sich aufgrund unsymmetrischer Wärmeableitung eine Temperaturdifferenz zwischen den beiden Anschlüssen des Shunts ergibt. Ein weiterer Fall, bei dem Thermospannungen auftreten können, ist eine unsymmetrische Erwärmung oder Abkühlung des Shunts durch äußere Einflüsse. Da der Batteriesensor mit dem Shunt in der Regel auf dem Batteriepol verbaut ist, ist die Temperatur der dem Batteriepol zugewandten Seite des Spannungsabgriiffs maßgeblich von der Batterietemperatur bestimmt. An der anderen Seite des Spannungsabgriffs ist das Massekabel befestigt. Da das Massekabel und die Batterie deutlich unterschiedliche thermische Zeitkonstanten haben, treten bei hohen Strömen sowie bei Änderungen der Umgebungstemperatur Temperaturunterschiede am Shunt auf, die wiederum zu Thermospannungen und damit zu Messfehlern führen.
Es ist beispielsweise aus der DE G 8510197 U1 bekannt, dass ein Shuntwiderstand mit gut wärmeleitendem Material so aufgebaut ist, dass eine Verlustsleistungswärme besser abgeführt werden kann, um solche Messfehler zu vermeiden.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung geht von einem Verfahren zur Verbesserung der Strommessgenauigkeit eines Batteriesensors mit einem Shunt im Laststromkreis einer Batterie aus, bei dem erfindungsgemäß in vorteilhafter Weise zusätzlich zur Messung eines Spannungsabfalls im Bereich des Shunts weitere physikalische Größen ausgewertet werden, die die Betriebszustände und Umweltbedingungen am Shunt betreffen und nachgeschalteten Funktionen zur Verfügung gestellt werden.
Bei einer ersten vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden die Betriebszustände und Umweltbedingungen am Shunt, die zu Thermospannungen am Shunt oder in den Verbindungsleitungen zur einer Elektronikschaltung als Auswerteelektronik führen, ausgewertet, wobei die über eine Verlustleitung in den Shunt eingebrachte Wärmeenergie über den gemessenen Strom und die bekannten physikalischen Eigenschaften des Shunts bestimmt wird. Hierbei kann auf einfache Weise bei der Bestimmung der Verlustleistung die bekannte thermische Zeitkonstante des Shunts zugrundegelegt werden, aufgrund der die Wärmeenergie an die Umgebung abgegeben wird, bis sich der Shunt wieder im thermodynamischen Gleichgewicht befindet. Der Eintrag und die Abgabe der Wärmeenergie in den Shunt kann mittels Differentialgleichungen modelliert werden.
Gemäß einer zweiten vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung können die Betriebszustände und Umweltbedingungen im Bereich des Shunts, insbesondere an jedem Materialübergang, zum Beispiel am Übergang von einem Bronze-Pin auf Kupfer, führen, ausgewertet, die zu Thermospannungen am Shunt führen, auch dahingehend ausgewertet werden, dass die durch eine Temperaturdifferenz zwischen der Umgebung des Shunts und der Batterie verursachten Thermospannungen bestimmt werden. In dem Fall, bei dem die Temperaturdifferenz über einem vorgegebenen Schwellwert liegt, kann eine die Messung verfälschende Thermospannung signalisiert werden.
Bei beiden Ausführungsformen kann bei einer die Messung verfälschenden Größenordnung der Thermospannung ein Genauigkeitsflag generiert werden, das bei der Auswertung der Strommessung mit dem Batteriesensor berücksichtigt wird. Bei der Generierung des Genauigkeitsflags kann auch eine Mehrzahl von Schwellwerten vorgegeben werden, zur feingranularen Anzeige der Messgenauigkeit.
Die Erfindung kann in vorteilhafter Weise bei einem Batteriesensor in einem Kraftfahrzeug angewendet werden, wobei an den Verbindungsstellen eines Kabels zum Shunt im Laststromkreis der Batterie Spannungsabgriffe vorhanden sind, die mit einer benachbart angeordneten Elektronikschaltung zur Messung der Thermospannung geführt sind. Weiterhin können Sensoren vorhanden sein, mit denen die Temperatur am Shunt, die Temperatur an der Batterie, die Säuredichte der Batterie und/oder weitere physikalische Größen erfassbar sein.
Zusammenfassend ist festzustellen, dass die zuvor beschriebenen Thermospannungen, die zu Messungenauigkeiten führen, sich in der Regel direkt nicht mit vertretbarem Aufwand kompensieren lassen. Das führt dazu, dass die Messgenauigkeit vom Betriebszustand und/oder den Umgebungsbedingungen des Batteriesensors abhängt und damit für nachgeschaltete Funktionen immer von den maximalen Messungenauigkeiten ausgegangen werden muss.
Gemäß der Erfindung wird vorgeschlagen, die Betriebszustände und/oder Umgebungsbedingungen während denen die Strommessgenauigkeit verschlechtert ist, zu erkennen und als Genauigkeitsinformation den nachgeschalteten Funktionen in einer Elektronikschaltung zur Verfügung zu stellen. Damit können die nachgeschalteten Funktionen die Teile, die eine sehr präzise Stromgenauigkeit erfordern, nur dann ausführen, wenn die Messgenauigkeit optimal ist. Damit erhöht sich die Güte der Funktionen (z. B. Diagnose), ohne dass kostenintensive Maßnahmen zur Minimierung der Thermospannungen umgesetzt werden müssen.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Die Erfindung wird nachfolgend anhand des in der Figur der Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispiels erläutert. Dabei zeigt:
1 eine schematische Darstellung einer Batterie mit einem Batteriesensor.
Ausführungsform der Erfindung
In 1 ist ein Batteriesensor 1 gezeigt, der im Laststromkreis einer Batterie 2 angeordnet ist. Im Batteriesensor 1 sind Kupferbereiche 3 und 4 des Laststromkreises angedeutet, wobei rechts eine Verbindung 5 zur Batterie 2 und links ein Massekabel 6 angedeutet ist. Zwischen den Kupferbereichen 3 und 4 ist ein Shunt 7 angebracht, über dem ein Spannungsabfall zur Strommessung, wie in der Beschreibungseinleitung beschrieben, abgegriffen wird. Mit Spannungsabgriffen 8 und 9 kann der Spannungsabfall einschließlich der sich einstellenden Thermospannung einer Elektronikschaltung 10 zur Verfügung gestellt werden.
Um nun erfindungsgemäß eine Information über die Strommessgenauigkeit des Batteriesensors 1 bereitstellen zu können, werden nun die Betriebszustände und/oder Umweltbedingungen erkannt, die zu den zuvor erwähnten Thermospannungen führen. Beispielsweise tritt die Verlustleistung am Shunt 7 insbesondere durch hohe Ströme auf. Da der Batteriesensor 1 die Ströme misst, lässt sich die Verlustleistung leicht bestimmen, wobei immer, sobald ein Strom fließt, unabhängig von seiner Größe eine Verlustleistung auftritt. Die über die Verlustleistung eingebrachte Wärmeenergie wird mit der thermischen Zeitkonstante des Shunts 7 wieder an die Umgebung abgegeben, so dass einige Zeit, nachdem der hohe Strom den Shunt 7 erwärmt hat, dieser sich wieder im thermodynamischen Gleichgewicht befindet und somit keine Thermospannungen mehr auftreten. Dieses Verhalten lässt sich in einfacher Weise über Differentialgleichungen modellieren und daraus das gewünschte Genauigkeitsflag generieren.
Der Spannungsfall wird dabei nicht direkt am Shunt 7 sondern am Kupfer direkt neben dem Shunt abgegriffen.
Der zweite kritische Fall ist derjenige, bei dem eine große Temperaturdifferenz zwischen Umgebungstemperatur des Batteriesensors 1 und der Temperatur der Batterie 2 herrscht. Da die Temperatur im Batteriesensor 1 in der Regel gemessen wird, kann von dieser zunächst auf die Umgebungstemperatur geschlossen werden. Des Weiteren kann mit dem Batteriesensor 1 auch die Batterietemperatur bestimmt werden. Vergleicht man nun die Umgebungstemperatur mit der Batterietemperatur und liegt die Differenz über einem vorgegebenen Schwellwert, so können ebenfalls Thermospannungen auftreten, die die Strommessgenauigkeit verfälschen und damit angezeigt werden können. Dabei wird zum Beispiel davon ausgegangen, dass die Seite des Shunts 7, die mit dem Massekabel 6 verbunden ist, durch das Massekabel 6 auf Umgebungstemperatur gehalten wird und die andere Seite durch die Batterietemperatur beeinflusst wird.
Wird nun durch mindestens eines der beiden beschriebenen Verfahren eine Verschlechterung der Messgenauigkeit erkannt, kann dies durch eine entsprechende Genauigkeitsinformation an nachgeschaltete Funktionen in der Elektronikschaltung 10 weitergegeben werden. Darüber hinaus ist auch denkbar, für die Erkennung von Thermospannungen mehrere Schwellwerte anzugeben und damit die Messgenauigkeit feingranularer anzuzeigen.
Die zuvor beschriebenen Verfahren zur Erkennung und Anzeige einer Verschlechterung der Messgenauigkeit (Genauigkeitsflag) wurden am Beispiel einer shuntbasierten Strommessung beschrieben. Prinzipiell ist ein analoges Vorgehen sowohl bei nichtshuntbasierter Strommessung mit anders gelagerten, jedoch ebenfalls erkennbaren Störeinflüssen, als auch bei beliebigen anderen Messgrößen (Spannung, Temperatur, Säuredichte, etc.) mit erkennbaren Störeinflüssen, denkbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1238288 B1 [0002]
EP 1435524 B1 [0002]
DE 8510197 U1 [0005]

Claims

Verfahren zur Verbesserung der Strommessgenauigkeit eines Batteriesensors (1) mit einem Shunt (7) im Laststromkreis einer Batterie (2), dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zur Messung eines Spannungsabfalls im Bereich des Shunts (7) weitere physikalische Größen ausgewertet werden, die die Betriebszustände und Umweltbedingungen am Shunt (7) und/oder der Batterie (2) betreffen und nachgeschalteten Funktionen zur Verfügung gestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebszustände und Umweltbedingungen am Shunt (7), die zu Thermospannungen am Shunt (7) oder in den Verbindungsleitungen zu einer Elektronikschaltung (10) führen, ausgewertet werden, wobei die über eine Verlustleitung in den Shunt (7) eingebrachte Wärmeenergie über den gemessenen Strom und die bekannten physikalischen Eigenschaften des Shunts (7) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bestimmung der Verlustleistung die bekannte thermische Zeitkonstante des Shunts (7) zugrundegelegt wird, aufgrund der die Wärmeenergie an die Umgebung abgegeben wird, bis sich der Shunt (7) wieder im thermodynamischen Gleichgewicht befindet.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Eintrag und die Abgabe der Wärmeenergie in den Shunt (7) mittels Differentialgleichungen modelliert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebszustände und Umweltbedingungen am Shunt (7), die zu Thermospannungen im Bereich des Shunts (7), insbesondere an jedem Materialübergang führen, ausgewertet werden, wobei die durch eine Temperaturdifferenz zwischen der Umgebung des Shunts (7) und der Batterie (2) verursachten Thermospannungen bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Fall, bei dem die Temperaturdifferenz über einem vorgegebenen Schwellwert liegt, eine die Messung verfälschende Thermospannung signalisiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer die Messung verfälschenden Größenordnung der Thermospannung ein Genauigkeitsflag generiert wird, das bei der Auswertung der Strommessung mit dem Batteriesensor (1) berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Generierung des Genauigkeitsflags eine Mehrzahl von Schwellwerten vorgegeben wird zur feingranularen Anzeige der Messgenauigkeit.
Batteriesensor mit einem Aufbau zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an den Verbindungsstellen eines Kabels zum Shunt im Laststromkreis der Batterie (2) Spannungsabgriffe (8, 9) vorhanden sind, die mit einer benachbart angeordneten Elektronikschaltung (10) zur Messung der Thermospannung geführt sind.
Batteriesensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass Sensoren vorhanden sind, mit denen die Temperatur am Shunt (7), die Temperatur an der Batterie (2), die Säuredicht der Batterie (2) und/oder weitere physikalischen Größen erfassbar sind.